第2章 微分作用素による運動方程式の記述


1粒子の運動をHamilton形式で見ることから始めましょう。 粒子の位置を q 、運動量を p とし、この粒子の Hamitonianを H とします。 運動方程式は以下のようになります。

(01)

ここで (p,q) をベクトルとして見てみましょう。 すると、このベクトルの時間変化は、Hamitonianの形と、 そのベクトル自身によって決まることになります。

つまりベクトルに対して、Hamitonianから決まる特殊な作用を施すと、 その時間変化のベクトルになると見ることができます。 その作用素を D と表すことにしましょう。

(02)

このように書くと D が行列の様ですが、行列はなく、 ベクトルからその時間変化を表すベクトルに変換する作用素です。 この作用素は時刻tによって変化しません。 Hのみによってきまるのです。

ところで、普通のスカラー量のx,kに対しての微分方程式とその解

(03)

と(02)式の作用素の方程式とを比較するとその解は

(04)

となるような気がしませんか?

ここで、作用素の指数が登場しましたが、これの意味は次の通りです。

(05)

つまり exp のテイラー展開のそのままです。 テイラー展開ですので、t があまり大きいと具合がわるいので、 以後は有限の短い時間 Δt に置き換えます。 D を (p,q) に作用させると、(02)式より その1階微分が求まります。

D を (p,q) に2回作用させると、

(06)

となるので2階微分が求まります。

よって D を n 回作用させると (p,q) の n 階微分が求まることになります。

(07)

ここで(04)式にこの指数関数の定義式を代入し、作用の処理を施すと 次の結果になります。

(08)

これは (p(Δt),q(Δt)) の (p(0),q(0)) まわりのテイラー展開になるではないですか。 よって(04)式には正当性があるのです。


  • 第3章 微分作用素の分割
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    Copyright(C) by Naoki Watanabe. Oct 21st, 1995.
    渡辺尚貴 naoki@cms.phys.s.u-tokyo.ac.jp